Nadir toprak elementlerinin magnezyum alaşımlarının mekanik özellikleri üzerindeki etkisi
Magnezyum ve alaşımları, şu anda en hafif metal yapı malzemeleri olarak düşük yoğunluk, yüksek özgül mukavemet ve sertlik, yüksek sönümleme, iyi termal iletkenlik, mükemmel işlenebilirlik, kararlı parça boyutu ve kolay geri dönüşüm gibi avantajlara sahiptir. Havacılık, uzay, otomotiv endüstrisi, ulaşım, elektronik, iletişim ve bilgisayar gibi endüstrilerde yaygın olarak kullanılırlar.
Yetersiz mekanik özellikler ve zayıf korozyon direnci nedeniyle, magnezyum alaşımları üretimde ve günlük yaşamda yaygın uygulamalarında sınırlıdır. Ancak, az miktarda nadir toprak elementi eklendiğinde, magnezyum alaşımlarının çeşitli özellikleri büyük ölçüde iyileştirilebilir. Nadir toprak elementleri periyodik tablonun IIIB grubunda bulunur. Atomların en dıştaki elektronik yapısı aynıdır, her ikisi de iki elektrona sahiptir, ikinci dıştaki elektronik yapı ise benzerdir. Üçüncü ila son katmandaki 4f orbitalindeki elektron sayısı 0 ile 14 arasında değişir; Kimyasal özellikleri önemli ölçüde farklı değildir ve hepsi çok aktiftir. Magnezyum alaşımları ve nadir toprak elementleri her ikisi de yoğun bir altıgen kristal yapıya sahiptir, bu nedenle nadir toprak elementleri magnezyum alaşımlarında yüksek bir katı çözünürlüğe sahiptir. Sc hariç, diğer 16 nadir toprak elementi Mg ile ötektik fazlar oluşturabilir ve çoğu nadir toprak elementi Mg'de yüksek katı çözünürlüğe sahiptir.
Nadir Toprak Elementlerinin Mg Alaşımının Saflaştırılması ve Tane İnceltilmesi Üzerindeki Etkisi
Magnezyum aktif kimyasal özelliklere sahiptir ve O2 ve H2O ile reaksiyona girerek MgO oluşturmaya eğilimlidir, bu da magnezyum alaşımlarında oksit kapanımlarının varlığına neden olur, bu da magnezyum alaşımlarının kalitesini ve performansını azaltır. Oksitlenmiş kapanımlar genellikle magnezyum alaşım dökümlerinin matrisinde veya tane sınırlarında bulunur, alaşımda yorulma çatlaklarına neden olur ve mekanik ve korozyon direnci özelliklerini azaltır. Nadir toprak elementlerinin eklenmesi yalnızca kapanım sayısını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda tane boyutunu da iyileştirir ve alaşımın performansını iyileştirir.
Nadir toprak elementi Ce AM50 magnezyum alaşımına eklendiğinde, Ce alaşımı saflaştırmada, Fe ve Ni gibi safsızlıkları azaltmada rol oynar. Y'nin eklenmesi, ekstrüde edilmiş Mg Zn Zr alaşımının tane boyutunu azaltabilir ve tane boyutu 14,2 μm'den 3,2 μm'ye düşebilir, %3'e (kütle kesri) düşebilir. Azalma %77 kadar yüksektir.
1. Nadir toprak elementlerinin Mg alaşımının mekanik özellikleri üzerindeki etkisi
1.1Mg Al RE sistemi
Mg Al serisi magnezyum alaşımları şu anda en çeşitli ve en yaygın kullanılan magnezyum alaşımı serisidir. Mg Al serisi magnezyum alaşımlarına eklenen nadir toprak elementleri esas olarak Ce, Y, Nd, vb. içerir. Nadir toprak elementleri içermeyen Mg Al bazlı alaşımlar esas olarak şunları içerir - Mg dendritleri ve dendritler arasında dağılmış intermetalik bileşikler - Mg17Al12 fazı; Ve nadir toprak elementleri Mg-3% Al bazlı alaşımlara eklendiğinde, - Mg dendritleri daha ince hale gelir, intermetalik bileşikler - Mg17Al12 fazı Al11RE3 ve A12RE ile değiştirilir.
Al11RE3 fazı temel olarak 200 derecede kararlıdır. Sıcaklık artmaya devam ettikçe, Al11RE3 fazı Al2RE fazına dönüşecektir. Bu ayrıca Al11RE3'ün kararlılığının koşullu olduğunu gösterir.
Nadir toprak elementleri eklendikten sonra, alaşımın mukavemeti hem oda sıcaklığında hem de 200 derecede artar, uzama nispeten yüksek bir seviyede kalır. Nadir toprak elementleri eklendikten sonra mukavemetteki artış aşağıdaki faktörlerle ilişkili olabilir: birincisi, büyük miktarda intermetalik bileşik Al11RE3'ün oluşumu dendrit sınırlarını güçlendirmede önemli bir rol oynar; ikincisi, nadir toprak elementlerinin eklenmesi dendritik kolları rafine etti ve mukavemetin iyileştirilmesini teşvik etti; Son olarak, nadir toprak elementlerinin, özellikle Y'nin eklenmesi, katı çözelti güçlendirmesi yoluyla Mg matrisinin mukavemetini artıracaktır.
1.2 Mg-Zn-RE sistemi
Mg Zn bazlı alaşımlar, deforme olmuş magnezyum alaşımlarında yaygın olarak kullanılır ve iyi yaşlanma güçlendirme yeteneğine sahiptir. Mg Zn alaşımlarına Y, Er, Gd, Nd, Ce vb. gibi birçok nadir toprak elementi türü eklenir. Nadir toprak elementleri eklendikten sonra alaşımın mekanik özellikleri iyileştirilir, çünkü nadir toprak elementleri tane boyutunu iyileştirebilir ve alaşımda güçlendirme fazları oluşturarak alaşımın mukavemetini artırabilir.
Döküm Mg-3.8Zn-2.2Ca alaşımına nadir toprak elementleri Ce ve Gd eklendiğinde çekme dayanımı sırasıyla 123,8 MPa'dan 146,1 ve 130,6 MPa'ya, uzama ise %2,4'ten %3,5'e ve %2,9'a yükseldi.
Döküm alaşımlarına sadece nadir toprak elementlerinin eklenmesini incelemek, alaşımların mukavemet gereksinimlerini karşılayamaz. Giderek daha fazla araştırmacı, deformasyon ve nadir toprak elementlerinin eklenmesinin alaşım özellikleri üzerindeki ikili etkilerini incelemeye başlıyor. Döküm ve ekstrüde edilmiş Mg{{0}}.0Zn-0.9Y-0.16Zr alaşımlarının karşılaştırmalı bir çalışması, ekstrüzyondan sonra mekanik özelliklerde önemli bir iyileşme olduğunu, çekme dayanımı, akma dayanımı ve uzamanın sırasıyla 168105 MPa ve %1,8'den 363317 MPa ve %12'ye yükseldiğini ortaya koydu. Mekanik özelliklerdeki iyileşme, alaşım ekstrüzyonundan sonra tane incelmesinin etkisine atfedilmektedir. Ekstrüzyondan sonra Mg-6Zn-1Mn-0.5Ce alaşımının mekanik özellikleri de iyileştirildi; akma dayanımı 209 MPa'dan 232 MPa'ya çıkarıldı, çekme dayanımı temelde değişmeden kaldı ve uzama %11,5'ten %14,7'ye çıktı. Döküm M-12Zn-1.5Er alaşımıyla karşılaştırıldığında, ekstrüde alaşımın mekanik özellikleri önemli ölçüde iyileştirildi.
1.3 Mg Li RE sistemi
Mg Li alaşımı, magnezyum alaşımlarının en hafif serisidir. Nadir toprak elementleri eklendikten sonra, Mg Li alaşımının mekanik özellikleri katı çözelti güçlendirmesi ve küçük ve dağılmış intermetalik bileşiklerin oluşumu yoluyla iyileştirilir. Mg Li alaşımlarına Y, Ce, Nd vb. gibi birçok nadir toprak elementi türü eklenir.
Mg-5Li-3Al-2Zn alaşımına nadir toprak elementleri eklenmesi, Al2RE veya Al3RE fazlarının oluşumuna ve AlLi fazlarında azalmaya neden olur. Nadir toprak elementlerinin eklenmesiyle alaşımın çekme dayanımı, ekleme miktarının artmasıyla artar. Ancak ekleme miktarı %1,5'i (kütle kesri) aştığında çekme dayanımı zayıflar. Uzama değişim eğilimi, çekme dayanımı eğilimiyle aynıdır. Ekleme miktarı %1,5 (kütle kesri) olduğunda, Mg-5Li-3Al-2Zn-1.5RE sırasıyla 206,5 MPa ve %14,4 olan optimum çekme dayanımına ve uzamaya sahiptir.
Nd ayrıca alaşımların çekme mukavemetini ve uzamasını da iyileştirebilir. Nd içeriği %2.{1}} (kütle kesri) olduğunda, Mg{2}}Li{3}}Al alaşımının çekme mukavemeti 185,95 MPa'lık bir zirveye ulaşır ve Nd içeriği %1,6 (kütle kesri) olduğunda, uzama %16,3'lük bir zirveye ulaşır. Mekanik özelliklerdeki iyileşme, Nd ilavesindeki azalmaya atfedilir. Fazın boyutu ve yeni faz Al2Nd'nin faz sınırı sınırlama kaymasındaki dağılımı. BinJiang ve arkadaşları, Ce ve Y'nin Mg{11}}Li{12}}Zn alaşımının özellikleri üzerindeki etkilerini araştırdılar. Araştırmalar, Mg{15}}Li{16}}Zn alaşımına %{13}},5 (kütle kesri) Ce ve Y eklenmesinin mukavemeti artırabileceğini ve aynı koşullar altında Y'nin etkisinin Ce'ninkinden daha önemli olduğunu buldu. 0.5% (kütle kesri) Y'nin eklenmesi aynı anda Mg-8Li-2Zn alaşımının uzamasını artırırken, Ce uzamayı azalttı.
1.4 Diğer
Mg-4Y-4Sm-0.5Zr alaşımı için, çekme dayanımı ve akma dayanımı, ekstrüzyon sıcaklığının artmasıyla hafifçe zayıflar; buna karşılık, yaşlandırmadan sonra ekstrüzyon sıcaklığının artmasıyla, çekme dayanımı ve akma dayanımı artar. Alaşım 200 derecede 16 saat yaşlandırıldığında, 400 derecede ekstrüde edilen alaşım, 400 MPa'lık bir çekme dayanımı, 300 MPa'yı aşan bir akma dayanımı ve %7'lik bir uzama ile optimum mekanik özelliklere sahiptir. 14 çevrim ekstrüzyon sıkıştırmasından sonra, Mg-10Gd-2Y-0.5Zr alaşımının akma dayanımı, çekme dayanımı ve uzaması sırasıyla %20, %8,2 ve %150 oranında artmıştır.
M-3Sn-2Ca alaşımına nadir toprak elementi Ce eklemek, Ce içeriği %1,5'e (kütle kesri) veya daha fazlasına ulaştığında alaşımın mekanik özelliklerini önemli ölçüde iyileştirebilir. Ce içeriği %2 (kütle kesri) olduğunda, oda sıcaklığında çekme dayanımı, akma dayanımı ve uzamadaki artış sırasıyla %24,4, %28,6 ve %73,7'dir. 150 derecedeki artış sırasıyla %22,4, %28,8 ve %56'dır.
Nadir toprak elementi Y alaşımların mukavemetini de artırabilir. Ekleme miktarı %1,5 (kütle kesri) olduğunda alaşımın mekanik özellikleri optimumdur, çekme mukavemeti, akma mukavemeti ve uzama sırasıyla 150, 137 MPa ve %3,2 oda sıcaklığında, sırasıyla %18,1, %22,3 ve %68,4 artışlarla. 150 derecede karşılık gelen artışlar sırasıyla %19,8, %24 ve %54,9'dur. ChengWeili'nin araştırmasında ayrıca Ce'nin Mg-5Sn-4Zn'nin mekanik özelliklerini iyileştirebileceği bulunmuştur.
HNRE, Mg-Gd, Mg-Nd, Mg-Zr, Mg-Ce, Mg-Y, Mg-Er ana alaşımları gibi bazıları oldukça popüler olan yukarıda belirtilen tüm magnezyum nadir toprak alaşımlarını üretir. Tüm bileşenler ve oranlar müşterinin ihtiyacına göre özelleştirilebilir.